服役10500h后超臨界鍋爐高溫再熱器用T92鋼管的顯微組織

竇 洪，王志武，宋 濤

（1.廣東電網(wǎng)公司電力科學(xué)研究院，廣州510600；2.武漢大學(xué)動力與機械學(xué)院，武漢430072）

0 引 言

隨著火力發(fā)電廠鍋爐蒸汽參數(shù)向超超臨界的發(fā)展，對鍋爐用各種管材性能的要求越來越高。T92鋼由于具有優(yōu)良的高溫持久性能、抗蠕變性能、抗氧化性能和導(dǎo)熱性以及良好的韌性、焊接性和加工性能而成為超超臨界鍋爐用鋼的候選材料［1-5］。在我國，T92 鋼主要用于電站鍋爐高溫過熱器、再熱器管。隨著運行時間的延長，材料的組織會發(fā)生轉(zhuǎn)變，進而影響到其使用性能［6-7］。王雙寶等［8］對T92鋼在649 ℃下長期時效過程中的組織變化進行研究，發(fā)現(xiàn)隨著時效時間的延長，材料的基體組織穩(wěn)定，但是M23C6碳化物發(fā)生了粗化，MX 型碳氮化物在晶界析出、長大，并且有長大速度快的Laves相出現(xiàn)。由于T92 鋼在我國應(yīng)用還較少，而且其價格昂貴［9］，現(xiàn)階段還少有人對其在超臨界或超超臨界條件下服役后的組織進行過系統(tǒng)的研究。為此，作者對電站服役了10 500h后超臨界鍋爐高溫再熱器用T92鋼管的顯微組織進行了分析，探究了其在高溫服役過程中組織的變化規(guī)律，以期為T92鋼管的壽命評估提供相關(guān)參考依據(jù)。

1 試樣制備與試驗方法

試驗材料為火電站超臨界鍋爐高溫再熱器用T92鋼管，其尺寸為φ42mm×6mm，成分如表1所示，運行溫度600 ℃，壓力25 MPa，運行時間10 500h，其熱處理工藝為1 060 ℃正火＋770 ℃回火，原始組織為回火馬氏體。

表1 T92鋼的化學(xué)成分（質(zhì)量分數(shù)）Tab.1 Chemical composition of T92steel（mass） %

在原始管和服役后管道的向火側(cè)、背火側(cè)、中性面上線切割取6mm×5mm×5mm 的試樣，鑲嵌后用Olympus型光學(xué)顯微鏡、QYANTA 400型掃描電子顯微鏡（SEM）和其附帶的能譜儀（EDS）進行組織分析和成分分析。腐蝕液分別選取FeCl3、鹽酸、酒精溶液，分析基體時選取5個較大的晶粒，每個晶粒選3個點，分析析出相時選取5個較大的析出相顆粒，對所獲得的結(jié)果統(tǒng)計分析得平均值。在服役后管道的向火側(cè)、背火側(cè)、中性面取φ5mm×50mm 的圓柱形試樣進行電化學(xué)電解萃取獲得析出相粉末，對萃取的粉體進行XRD 分析。

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 顯微組織

從圖1，2可以看出，試驗鋼原始組織具有明顯的板條馬氏體特征，析出的碳化物沿晶界、板條界分布；服役10 500h之后，板條組織馬氏體碎化成小晶粒，析出相仍舊以沿晶界分布為主，晶粒內(nèi)也有析出相析出。服役后向火側(cè)、背火側(cè)和中性面處試樣組織的平均晶粒尺寸均增大，析出相的數(shù)量、尺寸沒有太大差異，但由于它們的工作溫度存在差異，導(dǎo)致向火側(cè)處析出相出現(xiàn)團聚現(xiàn)象。

圖1 原始試樣及服役10 500h后不同位置試樣的顯微組織Fig.1 Microstrcture of original sample （a）and different parts of samples after after working for 10 500h：（b）in fire face side；（c）in neutral side and （d）in fire back side

圖2 原始試樣及服役10 500h后不同位置試樣的SEM形貌Fig.2 SEM morphology of original sample （a）and samples of different parts after worling for 10 500h；（b）in fire face side；（c）in neutral side and （d）in fire bacj side

2.2 微區(qū)化學(xué)成分

從表2可知，與原始試樣相比，服役之后的試樣中鉻、鉬、鎢、釩、鈮這幾種元素都有從基體向析出相轉(zhuǎn)移的特征；而向火側(cè)析出相中合金元素的含量普遍高于中性面和背火側(cè)析出相的，其中鎢的含量相差最大，向火側(cè)比背火側(cè)高20%，背火側(cè)的鉻含量高于向火側(cè)的。

2.3 析出相構(gòu)成

從圖3可知，向火側(cè)、中性面、背火側(cè)的析出相中有Cr23C6、（V，Nb）N 和Laves相。其中Laves相主要是Fe2W 型和（Fe，Cr）2Mo型，其衍射峰較弱，說明析出相中Laves相數(shù)量較少。向火側(cè)、中性面、背火側(cè)析出相粉體的XRD 譜很相似，說明析出相類型在這三個位置是穩(wěn)定的。

表2 原始試樣及服役10 500h后不同位置試樣基體及析出相的EDS分析結(jié)果（原子分數(shù)）Tab.2 EDS results of matrix and precipitates of original sample and different parts of samples after working for 10 500h（atom） %

圖3 服役管向火側(cè)、中性面和背火側(cè)試樣萃取粉體的XRD 譜Fig.3 XRD patterns of extractive powders from fire face side（a），fire back side（b）and neutral side（c）of samples after working

2.4 分析與討論

T92鋼是在T91 鋼的基礎(chǔ)上通過調(diào)整成分而發(fā)展起來的新鋼種，采用了多元的復(fù)合強化手段，其析出相主要有（Fe，Cr，Mo）23C6的M23C6型碳化物，（V，Nb）（C，N）的 MX 型 碳 氮 化 物，以 及（Fe，Cr）2（Mo，W）的Laves相和Cr（V，Nb）N 的Z相。一般來說，熱處理之后的原始管中析出相主要是M23C6型碳化物（M 以鉻為主）和MX 型碳氮化物，并且兩者都沿板條界分布，M23C6型碳化物能夠有效抑制板條馬氏體的回復(fù)，提高蠕變壽命［3］，而尺寸細小的MX 型碳氮化物使材料得到彌散強化［10］。從微觀組織可知，服役10 500h之后，T92鋼老化已經(jīng)較為嚴重，原始組織的馬氏體特征消失，這說明其在運行過程中長期處于超溫環(huán)境中，從EDS分析可知，服役10 500h后鉻、鉬大量向析出相轉(zhuǎn)移，這與形成了Cr23C6和Laves相有關(guān)，也可能與新的M23C6型碳化物析出以及長大有關(guān)；另一方面，鉻的大量析出會導(dǎo)致材料的抗氧化性能降低，而析出相中釩、鈮含量的增加則可能與MX 型碳氮化物的析出和長大有關(guān)。在T92鋼的設(shè)計時，添加了一定量的鎢，主要是為了形成鎢鉬復(fù)合固溶強化，但是鎢的添加導(dǎo)致材料在長期蠕變過程中會有Laves相析出。Laves相析出初期由于其尺寸細小具有強化作用，能夠阻止馬氏體板條和位錯回復(fù)，但是Laves相的長大速度快，并且它的析出和長大會消耗鉬和鎢元素，導(dǎo)致鉬、鎢的固溶強化效果減弱。從EDS分析結(jié)果可知，服役10 500h后的析出相中鎢元素含量增加了25%（原子分數(shù)）左右，這與Laves相的析出有關(guān)。而Z 相是近些年研究的熱點，在形成初期，細小的Z相粒子快速彌散析出能夠在一定程度上提高材料的性能，隨著蠕變時間的增加，Z相快速長大，并且Z相的析出和長大是以消耗MX 型碳氮化物為代價的［11］，在這兩者的共同作用下材料的性能明顯下降，但在本研究中并未發(fā)現(xiàn)Z相析出。

3 結(jié) 論

（1）服役10 500h之后的T92鋼中原馬氏體板條特征消失，晶粒長大，且鉻、鉬、鎢、釩、鈮等元素都從基體向析出相中轉(zhuǎn)移，其中向火側(cè)的析出相有團聚的現(xiàn)象。

（2）服役10 500h之后的T92鋼向火側(cè)、中性面、背火側(cè)析出相類型相同，以Cr23C6、（V，Nb）N和Laves相為主。

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